KR101491093B1 - 나트륨 유황 전지 - Google Patents

Abstract

전지 효율을 높일 수 있도록, 유황을 수용하도록 적용된 양극용기와, 나트륨을 수용하도록 적용된 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에 설치되어 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체를 포함하고, 상기 전해질관은 적어도 어느 일측 표면에 개방기공(open pore)이 형성된 표피부를 구비한 나트륨 유황 전지를 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 전지 출력을 향상시킬 수 있도록 된 나트륨 유황 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 나트륨 유황 전지는 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기 방전이 없으며 불규칙적인 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성으로, 대용량 전력 저장용 전지로써 개발되고 있다.

나트륨 유황 전지는 음극으로 나트륨(Na)을 사용하고, 양극으로 유황(S)을 사용하며, 전해질로 나트륨이온 전도성을 갖는 고체전해질의 베타알루미나 세라믹을 사용한다. 나트륨 유황 전지는 전해질관 및 전해질관을 둘러싸는 양극용기를 포함한다. 상기 전해질관은 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 베타알루미나 세라믹을 튜브 형태로 제조한 구조이다. 상기 전해질관의 내부는 나트륨으로 채워지고, 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다. 이에 나트륨 이온이 전해질관인 베타알루미나를 거쳐 음극과 양극간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다.

여기서, 상기 나트륨 유황 전지는 베타알루미나 튜브의 표면 반응을 통해 충방전이 이루어지므로, 전지 효율은 전해질관을 이루는 베타알루미나 튜브의 표면적에 비례한다. 베타알루미나 튜브의 표면적을 증대시키는 경우 전지 효율을 높일 수 있으나, 전지의 크기가 커지게 된다.

이에, 전해질관을 이루는 베타알루미나의 표면적을 증대시켜 전지 효율을 높일 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.

이를 위해 본 나트륨 유황 전지는 유황을 수용하는 양극용기와, 나트륨을 수용하는 음극용기, 상기 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에 설치되어 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체를 포함하고,

상기 전해질관은 적어도 어느 일측 표면에 개방기공(open pore)이 형성된 표피부를 구비할 수 있다.

상기 표피부는 전해질관 표면에 일체로 형성될 수 있다.

상기 표피부는 전해질관 표면에 코팅되어 형성될 수 있다.

상기 표피부는 전해질관의 표면 중 나트륨과 접하는 면에 형성될 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 베타알루미나 튜브의 반응 표면적이 증대되어 전지의 크기 대비 전지 효율을 극대화할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 또 다른 실시예에 따른 나트륨 유황전지를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 나트륨 유황 이차전지(100)는 베타알루미나 세라믹으로 제조된 전해질관(10)과, 전해질관(10)의 내부에 위치하고 나트륨이 채워진 음극용기(12)와, 전해질관(10)의 외부에 위치하는 양극용기(14)를 포함한다. 음극용기(12)와 양극용기(14) 사이에는 절연체(16)가 설치되어 음극용기(12)와 양극용기(14)를 절연시킨다.

상기 양극용기(14)는 전해질관(10) 외측에 배치되며, 내부에는 전해질관(10)과의 사이에 유황과 탄소펠트가 채워진다. 상기 양극용기(14)는 원통 형태로 이루어지며 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어진다. 또한 양극용기(14)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 상기 양극용기(14)는 양극의 외부 단자의 역할도 수행한다.

상기 음극용기(12)는 나트륨이 수용되며, 양극용기(14)와 동일하게 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 음극용기(12)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 상기 음극용기(12)는 음극의 외부 단자의 역할도 수행한다.

상기 음극용기(12)의 하단에는 음극용기(12)에 채워진 나트륨이 전해질관(10)과 접촉할 수 있도록 나트륨이 빠져나올 수 있는 개구부(13)가 형성된다. 상기 개구부(13)를 통해 나온 나트륨은 전해질관(10)과 음극용기(12) 사이에 채워져 전해질관(10)의 내벽과 접촉한다.

상기 절연체(16)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어지며 절연체(16)이기 때문에 양극 용기와 음극용기(12)를 절연시키며, 전해질관(10)과는 세라믹접합에 의해 접합된다. 상기 양극용기(14)는 알루미늄 재질로 이루어지고 알파알루미나 세라믹인 절연체(16)와는 열간압입에 의해서 접합된다.

본 나트륨 유황 이차전지(100)는 음극으로 나트륨을 사용하고 양극으로 황을 사용한다. 이에 본 나트륨 유황 이차전지(100)의 방전 시에는 나트륨이온이 전해질관(10)을 통과하여 양극 측으로 이동하고 유황 및 전자와 반응하여 다황화나트륨이 된다. 충전 시에는 다황화나트륨이 전자를 방출하여 나트륨이온과 유황으로 분리된다. 나트륨이온은 전해질관(10)을 통과하여 음극 측으로 이동하고 전자를 받아 나트륨으로 복귀한다. 나트륨 유황 이차전지(100)의 충방전은 대략 300℃ 내지 350℃ 온도에서 이루어진다.

상기 전해질관(10)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 상기 전해질관(10)은 튜브 형태로 이루어져 소정 간격을 두고 음극용기(12)를 감싸며 설치된다.

본 실시예에서 상기 전해질관(10)은 나트륨과 접하는 내측 표면에 개방기공(open pore)(22)이 형성된 표피부(20)를 구비한다. 상기 개방기공(22)은 나트륨과 접하는 전해질관(10)의 비표면적을 증대시키는 작용을 하게 된다.

상기 표피부(20)는 상기와 같이 전해질관(10)의 내측 표면에만 형성될 수 있으며, 내측 표면외에 유황과 접하는 외측 표면에도 동일하게 형성될 수 있다.

상기 표피부(20)를 이루는 개방기공(22)은 전해질관(10) 표면과 통하고 기공간에 채널이 형성되어 있는 기공으로, 전해질관(10) 표면 전면에 걸쳐 규칙적으로 또는 불규칙적으로 형성된다. 상기 개방기공(22)의 형태나 개방기공(22)이 형성된 표피부(20)의 깊이 또는 표피부(20)에 대한 기공율 등에 대해서는 다양하게 변형가능하면 특별히 한정되지 않는다.

나트륨 유황 전지(100)에 있어서 전지 효율은 맴브레인 역할을 하는 전해질관(10)의 표면적에 비례한다. 즉, 나트륨 유황 전지(100)는 베타알루미나 세라믹의 표면 반응을 통해 이차전지(100)로 기능하게 되므로, 표면반응이 일어나는 표면적을 증대시키는 경우 전지(100)의 효율이 높아지게 된다. 이에 본 전지(100)는 상기와 같이, 개방기공(22)에 의해 전해질관(10)의 비표면적이 증대된다. 따라서 나트륨은 전해질관(10)의 표피부(20)에 형성된 개방기공(22)으로 침투되어 전해질관(10)과의 접촉됨으로써, 접촉면적은 증대되고 이에 비례하여 전해질관(10)과 나트륨의 반응성은 커지게 된다. 이에 전지(100)의 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 표피부(20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질관(10)의 표면에 직접 형성될 수 있다.

이러한 구조 외에 표피부(24)가 전해질관(10)의 표면에 별도로 코팅될 수 있다. 도 2는 나트륨 유황 전지(100)의 또다른 실시예로, 전해질관(10)의 표면에 개방기공(26)을 갖는 표피부(24)가 코팅된 구조를 도시하고 있다.

본 실시예에서 표피부(24)의 구조를 제외하고 전지(100)의 나머지 구성는 위에서 언급한 다른 실시예와 동일하다. 이에 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시예에서 표피부(24)는 베타알루미나 세라믹 입자를 딥코팅 방식 또는 저온 분사 공정 등을 통해 전해질관(10) 표면에 코팅하여 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 표피부(20)의 개방기공(22)은 베타 알루미나 입자와 탄소 분말을 혼합한 슬러리를 고체 전해질관 표면에 딥코팅(dip coating) 방식으로 코팅한 후 1600℃ 이상의 온도에서 소결과정을 통해 형성할 수 있다. 소결과정을 통해 탄소 분말은 제거되고 기공만 남게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 전해질관 12 : 음극용기
13 : 개구부 14 : 양극용기
16 : 절연체 20,24 : 표피부
22,26 : 개방기공

Claims (4)

1. 유황을 수용하도록 적용된 양극용기와, 나트륨을 수용하도록 적용된 음극용기, 양극용기와 음극용기 사이에 설치되고 나트륨 이온만을 선택적으로 이동시키는 전해질관, 음극용기와 양극용기 사이에 설치되어 음극용기와 양극용기를 절연시키는 절연체를 포함하고,
   상기 전해질관은 베타알루미나 재질로만 이루어지고, 적어도 어느 일측 표면을 이루는 표피부에 개방기공(open pore)이 형성되어, 나트륨 또는 유황과 접하는 표피부에서 베타알루미나의 표면적을 증대시키는 구조의 나트륨 유황 전지.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 표피부는 전해질관 표면에 일체로 형성된 나트륨 유황 전지.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 표피부는 전해질관 표면에 코팅되어 형성된 나트륨 유황 전지.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 표피부는 전해질관의 표면 중 나트륨과 접하는 면에 형성된 나트륨 유황 전지.

Images